移动式三维激光扫描系统在轨道结构变形分析的应用

段 伟，王 敏，冯 耀

(南京市测绘勘察研究院股份有限公司，江苏 南京 210019)

0 引 言

我国地铁已经进入新建与维护并重期。地铁隧道、轨道随服役年限的增加，其病害种类增加，且各类病害呈逐渐加重的趋势。轨道交通结构变形及病害发展是众多安全事故的直接原因。自2014年起，国务院、住建部、交通运输部等部门出台一系列关于加强城市轨道交通建设和运营安全的政策，引导城市轨道交通行业快速发展。目前轨道交通结构病害监测与检测的先进关键技术主要包括结构安全自动化监测及三维激光扫描技术两个方向。轨道交通结构安全的检测与维保，大多仍采用传统的人工检测方法或者部分自动化监测方法。人工方法存在效率低，耗时长，智能化程度低，检测结果主观性强、很难在有限的天窗时间完成大量检测工作等问题，利用测量机器人或其他物理传感器完成的自动化监测方法，获取的数据具有代表性，也存在局限性。因此采用传统的人工检测方法已不能满足日益发展的地铁隧道维护需求，迫切需要新的快速动态全信息地实现隧道状态的高精度检测。

轨道交通移动式三维激光扫描技术(以下简称移动式三维激光扫描技术)是近几年发展起来的一种新的综合测量技术，它是集激光扫描技术、实时定位技术、姿态测量技术、通信技术、计算机技术为一体的检测系统。利用移动式三维激光扫描测量技术可快速获取隧道表面大量点的三维坐标和图像灰度值等信息，对这些海量点云进行处理，可获得被扫描隧道空间的三维模型，并可对隧道模型表面各个点、线、面的图形数据进行更加具体细致地分析，从而判断隧道表面是否有渗漏水、形变等病害现象。移动式三维激光扫描技术的应用，使得隧道空间检测领域的人工数据分散获取方式转变为数据连续获取方式，提升了数据获取的准确度和效率，使获取数据和处理数据的过程日益智能化，极大促进了地铁隧道检测技术的发展。

1 基于移动式三维激光扫描技术的地铁隧道结构分析

目前在地铁隧道全断面激光扫描的方式有移动式和架站式，移动式较架站式扫描具有以下优势：① 扫描速度快(0.8 m/s、1.0 m/s、1.2 m/s)，外业采集时间短，扫描可用数据率高，而单站扫描的有效距离在60 m左右；② 获取的点密度均匀、真实反映每个点的反射率，而固定式仅在站点10 m有效范围内的点密度大，距离越远点密度越小；③ 不需要人工拼接；固定式相邻站点之间需要存在重复扫描区域，通过公共标靶拼接，会产生大量的冗余数据。

近些年来，相关学者已尝试将三维激光扫描技术应用于地铁隧道的变形监测中，包括基于固定式扫描仪的隧道收敛分析[1]、隧道变形特征分析[2]、隧道断面变形监测方法研究[3]和隧道变形监测的误差来源分析[4]等。目前，将移动式三维激光扫描技术应用于地铁隧道整体结构的变形分析已有相关研究。

本文利用移动式三维激光扫描系统(Leica SiTrack:One)对某地铁隧道进行扫描，获取隧道的全要素信息，利用点云和隧道结构设计数据等，通过预处理、后处理，生成地铁隧道模型和结构变形信息。本文的主要研究工作包括：外业数据采集、数据预处理、后处理、隧道结构变形分析、精度分析等。其中，隧道结构变形分析包括椭圆度分析、收敛分析、错台分析和限界分析。

1.1 外业数据采集

根据隧道监测环境、监测项目、精度要求和工作时间，合理设置标靶球的位置，确定合适的作业方法。目前常见作业方法有3种：起止点扫描法(需起止控制点和沿线控制点)、起止点静态法(仅需沿线控制点)和相对坐标法(无须任何控制点)。为了保证获取的隧道区间数据完整且有效，可在起始和终止时多采集5 m的数据。

1.2 数据预处理

外业数据采集完毕，将扫描数据全部导入数据存储设备，进行数据预处理：① 对扫描获得的原始数据(点云、里程、设备参数等)转化格式；② 对整个扫描区间的朝向角进行计算锁定；③ 沿线靶球(如有)拟合；④ 创建整个移动扫描装置的运动轨迹；⑤ 生成扫描段的点云；⑥ 利用SiRailScan软件完成点云格式转换，如*.pts，形成Leica Cyclone软件和成果处理软件支持的格式。

1.3 椭圆度分析

椭圆度也称不圆度[5]，是定量分析盾构管片的整体形变的重要参数，具体的计算方法如公式(1)所示。

T=2×(a-b)/D

(1)

式中，T为隧道断面的椭圆度；a、b分别为隧道断面的长、短半轴(理论上应为隧道外径的最大直径、最小直径，实际应用时外径不易测量，统一采用内径数据)；D为隧道的外径。

常用方法有皮卷尺配合吊铅垂的方法、激光断面仪。本文直接使用扫描的点云数据，拟合每个隧道断面获取断面椭圆并求得最大、最小直径(隧道内径)，通过公式(1)计算得到椭圆度，相较于传统方法，该方法分辨率大大提高且无须迁站，外业数据采集效率有明显提升，同时可批量生成成果。

1.4 收敛分析

通过二次多项式对各断面进行拟合，确定当前椭圆中心位置。然后分别获得该断面的横向收敛和竖向收敛，通过与设计标准圆比较，可以获取隧道横向、竖向的位移。

1.5 错台分析

地铁隧道管片错台是指隧道内管片拼装后同一环相邻快管片或者不同环管片之间的尺寸偏差[6]。由于荷载、压力等外力综合作用下，处于不平衡状态时管片会有运动趋势，当相邻管片的位移不同时，会导致错台。管片错台会产生隧道漏水、管片开裂、漏浆等衍生病害，在一定程度上会直接影响隧道的运营安全。因此，对隧道内管片错台情况进行有效合理的分析亟需解决。

1.6 限界分析

地铁限界是指限定地铁运行及轨道周围设施超越的轮廓线[7]。据此，地铁限界分为车辆限界、设备限界和建筑限界。为确保列车在隧道内运行安全，隧道内需要有足够的空间，在限界内，除了地铁及与地铁相互作用的设备外，其他设施一律不得侵入。因而，对地铁限界进行监测分析是一项涉及地铁安全运行的重要工作。当前，国外地铁限界监测车采用了激光技术、图像处理技术、智能机器人技术等其监测车以120 km/h速度运行时，监测误差不超过20 mm。国内地铁限界监测常用方法是断面检测法，根据设备限界尺寸，指定可伸缩框架可以实时调整不同的断面半径，固定在平板车上，作为限界检测车，对全区间进行监测。本文采用移动三维激光扫描技术运行于地铁轨道上，输入限界形状，利用获取的高精度海量点云，检测地铁隧道侵界。为了真实模拟地铁的运行情况，将限界底部中点与轨道中心点重合，保证限界形态随轨道线型自动变化。

2 实例分析

为验证移动式三维扫描技术在地铁隧道结构分析的适用性和可靠性，项目组采用起止点扫描法对苏州某地铁线路约1.2 km的区间进行扫描试验，对获取的点云进行处理，获取隧道结构变形监测指标。

2.1 仪器选用

仪器选用最新Leica SiTrack: One移动激光扫描系统，该系统集成了三维激光扫描仪、激光轨道断面仪、轨距测量仪等多种传感器，效率超过3.6 km/h。该扫描系统能够实现对轨道及周边区域全覆盖扫描，在轨道维护和整修环节能够缩短项目周期，并提供测绘级高精度三维点云。

2.2 外业作业流程

按照直线段50 m间隔，曲线段30 m间隔的原则在扫描线路左右轨道两侧交替布设靶球，根据精度要求进行控制网及标靶坐标测量；利用定制的同心装置保证棱镜和靶球的中心一致，减少内业处理。控制测量完成后即进行移动推扫。

2.3 数据处理

扫描成果经预处理、后处理得到具有绝对坐标的隧道点云，利用定制软件完成隧道结构变形分析。

2.4 椭圆度分析

以试验段对应K10+464～K10+800范围为例，每10环截取监测断面，进行隧道结构形变分析，生成变形数据图表。本文统计了区间内29个断面的椭圆度，最大椭圆度位于K10+572处，椭圆度为1.7%，图1给出了所有环椭圆度分布直方图。

2.5 收敛分析

经统计分析，结论如下：该区段隧道管片整体呈横向外扩、纵向压缩状态，图2为区间内29个特征断面的水平直径收敛分布图。

图2 水平直径分布图

以本区间29个特征断面为例，采用重复扫描和人工比对的方法进行精度统计分析。表1为多次扫描收敛对比，表2为扫描收敛值与人工全站仪收敛值的对比。经统计，本系统直径收敛重复扫描精度优于±3 mm，绝对精度优于±6 mm。

表1 重复扫描精度统计表

表2 扫描收敛数据与人工收敛数据对比统计表

2.6 错台分析

以试验段对应K10+464～K10+860范围为例，对相邻管环错台进行分析，经统计得出如下结论：该区段隧道管片整体状态良好，K10+524～K10+538区间段在腰部有明显错台现象(图3)。

图3 错台断面提取及错台分析(绿色：断面1的尾部；红色：断面2的首部)

2.7 限界分析

本次试验使用预设车厢轮廓线，完成车厢限界检测，通过人工布设障碍进行检验。以里程K10+471处限界为例进行说明，如图4所示，检测出预设的0.6 mm直径铁丝的障碍物，并计算侵界的角度和距离。

图4 里程K10+471处侵界结果

3 结 语

利用移动激光扫描技术对地铁隧道扫描，能够一次高速、高分辨率、全方位地获取地铁隧道内部表面数据，相较于传统方法，其表现出高效、快捷的优势。因隧道表面的点分辨率与仪器中心有关，即：距离越大，分辨率越低，固定式扫描仪会存在隧道内部不同区间的分辨率不一致的情况，而移动式激光扫描系统很好地解决了这一问题。结合实践案例，证明了移动激光扫描技术在地铁隧道结构分析中实施的可能性。综上所述，移动扫描技术对地铁隧道运营期间的结构分析是有效的，解决了传统方法效率低、劳动强度大、检测周期长等诸多劣势。本文的研究成果为相关工程应用提高了理论依据和实践参考。